何傳凱

(大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，四川 成都 610031)

1 概述

橋墩結(jié)構(gòu)普遍采用方形墩、片狀墩、圓頭墩、圓柱墩等結(jié)構(gòu)形式，目前對于橋墩結(jié)構(gòu)形式對通航水流條件的影響研究較少，陳景開[1]等通過二維水流模型，研究了雙圓柱墩和方頭墩對近堤水流流速和墩堤間局部流場等行洪水流條件的影響；李彬[2]等通過調(diào)整橋墩與斜交水流的夾角，研究了橋墩布置形式對河道局部流場的影響；楊忠超[3]、魏祥龍[4]等通過數(shù)值模擬，分析了橋墩對通航水流條件的影響；吳劍[5]通過flow-3D軟件，考慮不同來流角度以及橋墩之間的間距，分析了圓柱墩和圓頭墩的通航水流條件。以上學(xué)者只是單純研究了建橋前后橋墩對通航水流條件的影響，或只研究兩種橋墩結(jié)構(gòu)形式對行洪或通航水流條件的影響，未系統(tǒng)全面的對比分析不同橋墩結(jié)構(gòu)形式對通航水流條件的影響。

橋梁結(jié)構(gòu)形式往往根據(jù)通航、行洪、工程投資、交通組織、施工難度、景觀打造、后期維護等因素確定，而城市跨河橋梁建設(shè)會重點考慮景觀打造，宏偉氣派是城市跨河橋梁一個重要元素，橋墩尺寸往往較大，若橋墩尺寸過大，對通航水流條件反而不利。因此，通過二維水流數(shù)學(xué)模型試驗研究橋梁結(jié)構(gòu)形式對通航水流條件的影響，能有效兼顧城市橋梁通航與景觀打造，為橋型方案選擇提供參考依據(jù)。

2 數(shù)值模擬

2.1 控制方程

平面二維的河道水流運動控制方程如下：

水流連續(xù)方程：

(1)

x方向的動量守恒方程：

(2)

y方向的動量守恒方程：

(3)

式中h為水深；u，v分別為x，y方向上的流速；t為時間；ρ為水的密度；E為渦粘系數(shù)；g為重力加速度；a為床面高程；n為曼寧系數(shù)；ζ為風(fēng)應(yīng)力系數(shù)；Va為風(fēng)速；ψ為風(fēng)向；w為地球自轉(zhuǎn)角速度；φ為當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

2.2 工程概況

某新建橋梁位于岷江支流府河上，府河該段航道定位為改善城市景觀、發(fā)展休閑旅游，規(guī)劃為Ⅵ級航道，設(shè)計代表船型尺度為45.0 m×5.5 m×1.0 m(長×寬×設(shè)計吃水)。新建橋梁推薦橋型方案橋跨布置為3 m×25 m(小箱梁)+100 m(下承式鋼桁架拱橋)+3 m×25 m(小箱梁)，主塔橋墩結(jié)構(gòu)形式為方形墩，尺寸為9 m×12 m(長×寬)，通航孔為跨徑100 m對應(yīng)的孔；比較橋形方案通航孔主墩中心坐標(biāo)及跨徑與推薦方案一致，主墩橋墩結(jié)構(gòu)形式為圓頭墩，尺寸為10.3 m×3 m(長×寬)。

2.3 計算區(qū)域和網(wǎng)格設(shè)置

本模型計算河段長度約為1 900 m，計算進口距橋位約950 m，主要采用二次三角形六節(jié)點單元和二次四邊形八節(jié)點單元對計算區(qū)域進行離散，四邊形有限單元組成的計算網(wǎng)格計算穩(wěn)定性較好，相同條件下較三角形有限單元網(wǎng)格數(shù)量少，但對復(fù)雜邊界的適應(yīng)性差；三角形有限單元適應(yīng)性強，可隨意加密計算節(jié)點，較準(zhǔn)確的模擬復(fù)雜邊界，在橋墩周圍采用三角形有限單元局部加密，建橋后橋墩網(wǎng)格做不過水處理。

2.4 模型驗證

根據(jù)實測工程河段水位、流速流向資料以及搜集對應(yīng)的流量數(shù)據(jù)，同時，根據(jù)工程河段的洪調(diào)資料，對模型進行驗證，率定出工程河段糙率在0.026～0.032。

2.5 計算邊界條件

本研究是計算定場流的情況，所以在確定上下游邊界條件時只需要上游來水流量和下游水位即可。工程河段為天然河道，根據(jù)工程河段航道等級以及水文資料，通航凈空尺度控制工況為3年一遇，對應(yīng)的邊界條件為上游入口流量Q=1 070 m3/s，下游出口水位h=436.60 m。

2.6 測點布置

為研究不同墩型對通航水流條件的影響，依托某代表性橋梁工程實例，對與通航凈寬相關(guān)的橫向流速指標(biāo)進行定量分析。在分別布置某橋梁推薦橋形、比較橋形方案主橋橋墩后，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139—2014)[6]條文說明5.2.1條和5.2.3條，在橋軸線上游3倍代表船形長度135 m范圍內(nèi)布設(shè)了154個測點(橋軸線方向測點間距均為10 m、水流方向測點間距約為10.4 m)，測點布置見圖1。導(dǎo)出各測點的合成流速、與橋軸線法線方向的夾角，并計算出各測點的橫向流速。

圖1 通航水域范圍內(nèi)測點布置示意

3 計算成果分析

3.1 原方案計算成果分析

在規(guī)范規(guī)定的通航水域范圍內(nèi)，推薦橋形方案的最大平均橫向流速為0.49 m/s，出現(xiàn)在測點98、109、120、131，推薦橋形方案橫向流速較大導(dǎo)致通航凈寬不滿足要求；比較橋形方案最大平均橫向流速為0.38 m/s，出現(xiàn)在測點109、120、131、142，比較橋形方案凈寬能夠滿足要求。

推薦橋形方案橫向流速較大的原因為水流流向與橋軸線法線方向存在5.6°的夾角，加上橋墩尺寸較大且迎水面為直角，導(dǎo)致橋墩附近出現(xiàn)明顯水流繞流現(xiàn)象，水流在橋墩上游30 m范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)，水流流向與橋軸線法線方向的夾角變大，導(dǎo)致橫向流速也較大。由于橋位為規(guī)劃橋位，橋軸線唯一，跨徑由于其它因素?zé)o法加大，故優(yōu)化方案考慮推薦方案橋墩迎水面采取倒圓弧的結(jié)構(gòu)形式，半徑分別為2 m、3 m、4 m，推薦方案橋墩結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意見圖2所示。

圖2 推薦方案橋墩優(yōu)化示意

3.2 優(yōu)化方案計算成果分析

根據(jù)橋墩優(yōu)化方案，在相同計算邊界條件及參數(shù)下，導(dǎo)出不同墩型通航水域范圍內(nèi)各測點的合成流速、與橋軸線法線方向的夾角，計算各測點的橫向流速，不同墩形各測點的流速、流向、橫向流速對比示意見圖3～5。

圖3 優(yōu)化方案各測點流速對比示意

圖4 優(yōu)化方案各測點流向?qū)Ρ仁疽?/p>

圖5 優(yōu)化方案各測點橫向流速對比示意

3.3 不同墩型計算成果分析

為更進一步研究不同橋墩結(jié)構(gòu)形式對通航水流條件的影響，對比較橋形方案圓頭墩同寬度的片狀墩、圓柱墩(見圖6)的通航水流條件進行計算，計算成果見圖7～9。

圖7 不同墩型各測點流速對比示意

圖6 不同橋墩結(jié)構(gòu)形式示意(單位：m)

優(yōu)化方案及其他墩型通航水流條件關(guān)鍵參數(shù)橫流流速的對比分析見表1所示。

圖8 不同墩型各測點流向?qū)Ρ仁疽?/p>

圖9 不同墩型各測點橫向流速對比示意

由表1可知，方頭墩在采取倒角的優(yōu)化措施后，最大平均橫流出現(xiàn)的測點與優(yōu)化前一致，各測點合成流速變化不大，倒角半徑越大，橋軸線上游50 m范圍內(nèi)水流流向與橋軸線法線方向夾角有所減小，橫向流速也相對應(yīng)的有所減小。方頭墩、倒角2 m、倒角3 m、倒角4 m上游3倍代表船型長度通航水域范圍內(nèi)最大平均橫向流速分別為0.49 m/s、0.49 m/s、0.47 m/s、0.46 m/s。通過對方頭墩進行倒角，不利于通航凈寬計算的最大平均橫向流速有所減小。

表1 不同墩型各測點橫向流速對比

通過對比同寬度的片狀墩、圓頭墩、圓柱墩的通航水流條件，圓頭墩最大平均橫向流速最小，為0.38 m/s，圓柱墩、片狀墩分別為0.40 m/s、0.42 m/s，表明圓頭墩對通航水流條件的影響程度最小。總寬3 m的片狀墩、圓頭墩、圓柱墩對應(yīng)的最大平均橫流都小于寬12 m的方頭墩對應(yīng)的最大平均橫流，表明橋墩越寬，對應(yīng)的橫向流速越大。

3.4 不同墩型通航水域流場分析

各墩型通航水域范圍內(nèi)橫向流速等值線見圖10～16所示。

圖10 方形墩通航水域橫向流速等值線示意

圖11 方形墩(倒角2 m)通航水域橫向流速等值線示意

由圖10～16可以看出，各墩型在通航水域范圍內(nèi)橫向流速分布總體變化不大，橫向流速較大區(qū)域均出現(xiàn)在左岸橋墩附近，由此可見，橋區(qū)河段對通航不利的橫向流速由橋墩附近水流繞流引起。

圖12 方形墩(倒角3 m)通航水域橫向流速等值線示意

圖13 方形墩(倒角4 m)通航水域橫向流速等值線示意

圖14 片狀墩通航水域橫向流速等值線示意

圖15 圓頭墩通航水域橫向流速等值線示意

圖16 圓柱墩通航水域橫向流速等值線示意

4 結(jié)語

1) 方頭橋墩通過倒圓角優(yōu)化方式可降低不利通航凈寬尺度的橫向流速值；橋墩尺寸越大，橫向流速越大，對通航凈寬尺度越不利；同寬度的圓頭墩結(jié)構(gòu)對應(yīng)的通航水域范圍內(nèi)橫向流速最小。

2) 過橋墩結(jié)構(gòu)形式對通航水流條件的影響研究，可有效解決城市通航河流上橋梁通航與景觀打造的矛盾，為橋梁建設(shè)方案提供了多樣化的選擇。